元素與掃描電鏡及能譜儀的關聯性

1869 年俄國科學家門捷列夫（Dmitri Mendeleev）首先創造了元素周期表，門捷列夫發現元素排布規律的過程還有一個小故事：

有一天，門捷列夫正在苦惱元素之間的規律，他坐到桌前擺弄起了“紙牌”，擺著，擺著，門捷列夫像觸電似的站了起來，在他面前出現了完全沒有料到的現象，每一行元素的性質都是按照原子量的增大而從上到下地逐漸變化著。他將當時已知的 63 種元素依照相對原子質量大小并以表的形式排列，把有相似化學性質的元素放在同一列，制成元素周期表的雛形。經過多年修訂后才成為當代的周期表。

元素周期表中各個元素所在的位置決定了很多信息，其中就包含了原子核及核外電子排布的信息。

1. 在元素周期表中原子序數決定了原子核所帶正電荷數。原子核極小，它的直徑在10^-15 m~10^-14 m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了 99.96 % 以上原子的質量，原子核的密度極大，核密度約為 10¹⁷ kg/m³。

2. 在元素周期表中原子序數決定了核外電子數，處于基態的原子，核外電子排布方式遵守最低能量原理，泡利不相容原理和洪特規則。

元素與掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）存在什么聯系呢？

相信大家都知道掃描電鏡的背散射電子（BSE），背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。

大家可以這樣想象：當我們用乒乓球（入射電子）砸向石頭（原子核）時，乒乓球便會被反彈回來，反彈回來的這些乒乓球便是背散射電子。因此，當原子序數越大，原子核所帶正電荷就越多，能夠反彈回來的背散射電子便會越多，在掃描電鏡成像上的體現就是信號量較充足。

如上圖所示，我們不難發現其中有黑色的地方（C元素）也有白色的地方（Sn元素），這里成像的襯度便反應了原子序數的差異。

而通過能譜檢測特征 X 射線則可以知道原子是什么，有多少。當入射電子束與材料相互作用時，原子內層電子被打跑，外層電子向內躍遷填補空位，多余的能量以 X 射線形式釋放。由于原子序數的不同，核外電子排布方式也是不同，內外層電子的能量差也就不同，因此元素釋放的 X 射線能量不同，這些具有原子信息的 X 射線稱為特征 X 射線。

通過分析 X 射線“能量”，可以識別出與之對應的元素。

通過分析 X 射線“數量”，可以分析出不同元素的含量。

經過上面介紹，可以發現元素與掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）存在密切的聯系。通過掃描電鏡背散射電子圖像可以初步判定樣品表面的成分信息，結合能譜儀（EDS）可以測得樣品表面元素的種類和含量。